phydu – Optika Fisis adalah cabang ilmu fisika yang mempelajari sifat-sifat cahaya dengan fokus pada fenomena yang muncul akibat sifat gelombang cahaya. Berbeda dengan optika geometris, yang lebih berkaitan dengan bagaimana cahaya dipantulkan atau dibiaskan oleh lensa dan cermin, optika fisis membahas perilaku cahaya ketika berinteraksi dengan berbagai medium atau hambatan dalam skala yang sebanding dengan panjang gelombangnya. Dalam optika fisis, terdapat tiga fenomena utama yang dipelajari, yaitu difraksi, interferensi, dan polarisasi cahaya.
Sifat-sifat cahaya:
– Memiliki cepat rambat 3,0 x 108 m/s.
– Merupakan gelombang transversal dan elektromagnetik.
– Merambat dalam arah lurus.
– Arah rambat tidak dapat dipengaruhi medan magnet atau listrik (tidak bermuatan).
– Bagian dari spektrum matahari.
Satuan panjang gelombang yang sering digunakan:
1 Å = 10-10 m
1 nm = 10-9 m
Daftar Isi
A. Pembiasan Cahaya
Pembiasan cahaya adalah proses pembelokan cahaya karena melewati medium yang berbeda kerapatannya. Pembiasan cahaya pada prisma akan membentuk sudut deviasi yang merupakan perpanjangan sinar datang dengan yang meninggalkan prisma.
- Sudut deviasi dapat dihitung:
δ = (i1 + r2) – β
δ = sudut deviasi
i1 = sudut sinar datang
r2 = sudut sinar keluar
β = sudut pembias prisma
- Sudut deviasi minumum prisma dapat dihitung:
δm = 2.i1 – β
Persamaan indeks bias pada prisma:
- Sudut pembias > 15o
- Sudut pembias < 15o
B. Dispersi Cahaya
Dispersi cahaya adalah proses penguraian cahaya polikromatik menjadi cahaya monokromatik. Dispersi cahaya pada prisma akan menghasilkan spektrum warna pelangi.
- Sudut deviasi (δ) spektrum merah dan ungu dapat dihitung:
δm = (nm – 1)β δu = (nu – 1)β
δ = sudut deviasi
nm = indeks bias merah
nu = indeks bias ungu
β = sudut pembias prisma
- Sudut dispersi (φ) adalah lebar spektrum yang dapat dihitung:
φ = (nu – nm)β
C. Warna
Cahaya terbagi menjadi cahaya polikromatik dan cahaya monokromatik.
- Cahaya polikromatik adalah cahaya putih yang terdiri atas banyak frekuensi.
- Cahaya monokromatik adalah cahaya yang terdiri atas
satu frekuensi.
Warna benda muncul akibat benda tersebut memantulkan dan menyerap spektrum warna dari sinar putih.
- Benda berwarna putih jika semua spektrum warna yang diterimanya dipantulkan.
- Benda berwarna hitam jika semua spektrum warna yang diterimanya diserap.
- Benda berwarna x jika spektrum warna x dipantulkan, dan spektrum warna lain diserap.
Pada sistem yang molekulnya bergerak secara bebas (langit dan air), warna muncul diakibatkan oleh penghamburan spektrum warna. Warna terdiri dari:
- Warna primer, jika dicampur dapat menghasilkan warna putih, terdiri dari merah, hijau, biru (RGB).
- Warna sekunder, dihasilkan dari percampuran antar warna primer, terdiri dari cyan, magenta, kuning (CMY), dan lain-lain.
D. Difraksi Cahaya
Difraksi cahaya adalah pelenturan atau penyebaran gelombang cahaya ketika melintasi celah sempit atau ujung penghalang. Difraksi cahaya akan mengakibatkan interferensi cahaya yang menghasilkan pola terang-gelap.
Ketika cahaya melewati celah yang ukurannya mendekati panjang gelombangnya, cahaya tersebut akan menyebar, bukan hanya bergerak lurus. Difraksi adalah bukti bahwa cahaya memiliki sifat gelombang. Semakin kecil celah atau semakin dekat ukurannya dengan panjang gelombang cahaya, semakin signifikan efek difraksi yang terlihat.
Contoh: Ketika cahaya matahari melewati jendela atau celah kecil, kita bisa melihat pola-pola difraksi yang muncul di sekitarnya.
Difraksi pada celah tunggal:
Persamaan difraksi celah tunggal
Rumus pola gelap
Δs = n. λ
Semakin jauh dari pusat terang, pita terang makin sempit, sehingga diabaikan.
Δs = selisih lintasan (m)
θ = sudut deviasi/simpangan
d = lebar celah difraksi (m)
Difraksi pada celah banyak (kisi):
Persamaan difraksi celah banyak
Pola terang pada difraksi celah banyak teratur, sedangkan pola gelap tidak.
Rumus pola terang
Δs = n. λ
Rumus pola gelap
Δs = (n – 1/2) λ
d = tetapan kisi/jarak antar celah (m)
k = banyak celah
Difraksi cahaya membatasi daya urai atau batas resolusi dan pembesaran alat optik. Daya urai atau batas resolusi adalah jarak pisah terpendek dari dua titik dimana bayangan yang dihasilkan masih dapat terlihat sebagai dua titik terpisah.
Sudut resolusi minimum (Rayleigh) untuk men-dapatkan daya urai minimum dapat dirumuskan:
θm = sudut resolusi minimum/Rayleigh
D = diameter alat optik (m)
Daya urai alat optik dapat dirumuskan:
dm = daya urai alat optik
L = jarak sumber ke pengamat (m)
D = diameter alat optik (m)
E. Interferensi Cahaya
Interferensi cahaya adalah perpaduan gelombang cahaya koheren yang menghasilkan pola terang-gelap. Perpaduan ini terjadi ketika dua gelombang cahaya bertemu dan saling bertumpang tindih. Jika kedua gelombang berada dalam fase yang sama, mereka akan saling memperkuat (interferensi konstruktif), tetapi jika gelombang-gelombang itu berada dalam fase yang berlawanan, mereka akan saling melemahkan (interferensi destruktif). Fenomena ini menghasilkan pola-pola terang dan gelap yang dikenal sebagai pola interferensi.
Interferensi pada celah ganda (Thomas Young):
Persamaan interferensi celah ganda
Rumus pola terang
Δs = n. λ
Rumus pola gelap
Δs = (n – 1/2) λ
Δs = selisih lintasan (m)
θ = sudut deviasi/simpangan
d = jarak antar celah (m)
y = jarak dari terang pusat ke pita gelap ke-n (m)
L = jarak celah ke layar (m)
n = pola ke-n (bilangan bulat)
Jarak antar pola
- Jarak antara terang-gelap yang ber- sebelahan adalah 1/2.
- Jarak antara terang-terang atau gelap-gelap yang bersebelahan adalah 1.
Interferensi pada lapisan tipis:
Persamaan interferensi lapisan tipis
Rumus pola terang
Δs = (m – 1/2) λ
Rumus pola gelap
Δs = m. λ
n = indeks bias lapisan tipis
d = ketebalan lapisan tipis
r = sudut
m = pola ke-m (bilangan bulat)
λ = panjang gelombang di luar lapisan tipis
F. Polarisasi Cahaya
Polarisasi cahaya adalah pengkutuban gelombang cahaya, yaitu penyerapan sebagian arah getar gelombang cahaya. Gelombang cahaya dapat terpolarisasi dengan cara penyerapan, pemantulan, pembiasan ganda, dan hamburan. Polarisasi dengan cara penyerapan dilakukan menggunakan sebuah celah (polaroid).
Polaroid terdiri dari:
- Polarisator, mengubah cahaya tak terpolarisasi menjadi terpolarisasi.
- Analisator, mengurangi intensitas cahaya terpolarisasi.
Suatu arah gelombang akan terserap oleh celah apabila celah tidak sejajar dengan arah polarisasi, dan tidak akan terserap apabila celah sejajar dengan arah polarisasi.
Hukum Malus pada polarisasi cara penyerapan:
Intensitas cahaya pada polarisator
Intensitas cahaya pada analisator
Polarisasi akibat pemantulan dan pembiasan terjadi jika sinar pantul dan sinar bias membentuk sudut 90o.
Pada kejadian tersebut, sinar datang disebut sinar polarisasi, dan sudut datang disebut sudut polarisasi (sudut Brewster).
Persamaan sudut Brewster:
θB = sudut polarisasi/sudut Brewster
n2 = indeks bias medium tujuan (rapat)
n1 = indeks bias medium asal (renggang)
Sudut kritis adalah sudut datang yang membuat sudut bias membentuk 90o.
Persamaan sudut kritis
ik = sudut kritis
n1 = indeks bias medium tujuan (renggang)
n2 = indeks bias medium asal (rapat)
Hubungan sudut polarisasi dengan sudut kritis:
Polarisasi dengan cara hamburan terjadi pada sistem partikel seperti gas.
Cahaya diserap dan dihamburkan oleh elektron-elektron sistem partikel sehingga menghasilkan cahaya terpolarisasi.